再生可能エネルギー-クイックガイド

Renewable energyは、環境や自然に補給できるエネルギー源から自然に得られるエネルギーの形態を指すために使用される用語です。これらには、太陽エネルギー、風力エネルギー、地熱エネルギー、水力発電、およびバイオマスが含まれます。

再生可能エネルギーという用語は、より環境にやさしい、または害が少ないと考えられているガソリンなどの通常の形態以外のエネルギー源を表す代替エネルギーと混同しないでください。

再生可能エネルギーの利点

再生可能エネルギー源を使用する利点は次のとおりです。

• ほとんどのソースは可動部品がほとんどまたはまったく必要ないため、メンテナンスコストが低く、したがって機械的損傷が少なくなります。

• それらは経済的であり、化石燃料に費やされるコストを削減することができます。

• それらは環境中にほとんどまたはまったく廃棄物を排出しません。

• 再生可能エネルギー源は枯渇しません。したがって、これらは将来のより良い見通しを持っています。

太陽エネルギーの源

このチュートリアルでは、再生可能エネルギーの5つの主要な供給源について説明します。詳細な説明は次の章で提供されますが、各ソースは簡単にレビューされます。

• Solar energy−太陽からのエネルギーは太陽エネルギーと呼ばれます。太陽エネルギーは、アクティブソーラーまたはパッシブソーラーのいずれかとして使用できます。アクティブソーラーは、衣類の乾燥や空気の温めなどの活動で直接消費されます。テクノロジーは、この豊富なリソースを利用するための多くの方法を提供してきました。

• Geothermal energy−これは、地球の形成を通じて何百万年もの間地下に蓄えられた熱エネルギーを指します。それは、地殻の下に存在する未利用の熱エネルギーの豊富な貯蔵を利用します。

• Hydro-power −これは、今日世界中で電力を生産するために使用されている主要な再生可能エネルギー源です。

• Wind energy −古代では、風力エネルギーは帆に衝突して船を動かすために使用されていました。

• Biomass energy −エネルギー生成では、燃焼によってエネルギーを生成するために利用される廃棄物プラントを指します。

太陽エネルギーは、太陽から熱と光を取り込むことによって得られるエネルギーです。太陽からのエネルギーは太陽エネルギーと呼ばれます。テクノロジーは、この豊富なリソースを利用するための多くの方法を提供してきました。温室効果ガスを排出しないため、グリーンテクノロジーと見なされています。太陽エネルギーは豊富にあり、電気としても熱源としても長い間利用されてきました。

ソーラー技術は大きく分類できます-

• Active Solar−アクティブソーラー技術には、太陽光発電システム、集光型太陽光発電、太陽熱温水器を使用してエネルギーを利用することが含まれます。アクティブソーラーは、衣類の乾燥や空気の温めなどの活動で直接消費されます。

• Passive Solar −パッシブソーラー技術には、建物を太陽に向けること、好ましい熱質量または光分散特性を備えた材料を選択すること、および自然に空気を循環させる空間を設計することが含まれます。

太陽エネルギーの変換

太陽エネルギーは、太陽から熱と光を取り込むことによって得られるエネルギーです。太陽光から電気を得る方法は、太陽光発電法と呼ばれます。これは、半導体材料を使用して実現されます。

太陽エネルギーを取得するもう1つの形式は、2つの形式のエネルギータッピング方法を提供する熱技術によるものです。

• 1つは太陽熱集中で、太陽エネルギーを集中させて熱タービンを駆動します。

• 2番目の方法は、太陽熱温水暖房と空調でそれぞれ使用される冷暖房システムです。

太陽エネルギーを電気に変換して、そのエネルギーを日常の活動に利用するプロセスを以下に示します。

• 光子と呼ばれる太陽光線でのエネルギー運搬粒子の吸収。

• 太陽電池内部の太陽光発電変換。

• 複数のセルからの電流の組み合わせ。単一のセルの電圧は0.5V未満であるため、この手順が必要です。

• 結果のDCからACへの変換。

次の章では、太陽エネルギーを電気に変換する太陽光発電の方法を学びます。

光起電力効果の概念を学ぶ前に、PN接合の基本的な知識を持っていることが不可欠です。

PN接合

PN接合は、米国のベル研究所のラッセルによって発明されました。これは、2つの半導体、つまりP型とN型の間の接合部を指します。ラッセルは、2つの半導体が接合部で興味深い振る舞いをしており、一方向にのみ伝導を引き起こすことを発見しました。

P型半導体は、多数電荷キャリアとして正孔（電子が存在しない）を持っています。N型半導体は、多数電荷キャリアとして電子を持っています。

上記の図では、ジャンクションで-

• 余分な電荷は反対側の接合部に拡散し、p側の正電荷が負電荷を獲得して中和します。

• 同様に、N側の負電荷は正電荷を獲得し、それらを中和します。

• これにより、この領域を中性にして平衡状態にするために余分な電荷が枯渇する両側にマージン（m）が形成されます。この領域は、depletion layer どちらの側からも無料で交差します。

• 空乏層はポテンシャル障壁を提供するため、それを克服するには外部電圧が必要です。このプロセスはbiasing。

• 実施するには、 forward biasing、印加電圧は、電子（負）をn接合から接合のp側に向かってポンピングする必要があります。電流の連続的な流れは、正孔を埋めるための電子の一定の動きを保証し、したがって空乏層を横切る伝導を保証します。

• と呼ばれるプロセスで、印加電圧を逆転させる reverse biasing、正孔と電子が離れてドリフトし、空乏層が増加します。

• 外部負荷は太陽電池に接続され、正の端子はN側のウェーハに接続され、負の端子はP側のウェーハに接続されます。電位差はによって作成されますphotovoltaic 効果。

光子によって置き換えられた電子によって得られる電流は、有意な電位差を与えるのに十分ではありません。したがって、電流はさらに衝突を引き起こし、より多くの電子を放出するために含まれています。

光起電力効果

太陽電池は、太陽エネルギーを取り込む際にpn接合の概念を利用しています。次の図は、半導体のフェルミ準位を示しています。

半導体が伝導するためには、電子が価電子帯から伝導帯へのエネルギーギャップを横切る必要があります。これらの電子は、原子価ギャップを移動して移動するために、いくらかのエネルギーを必要とします。太陽電池では、太陽から放出された光子がギャップを克服するために必要なエネルギーを提供します。

表面に入射する光子は、吸収、反射、または透過する可能性があります。それが反射または透過した場合、それは電子を取り除くのに役立たず、したがって無駄になります。したがって、光子を吸収して、電子を移動させ、原子価ギャップを越えて移動させるために必要なエネルギーを提供する必要があります。

E _phが光子のエネルギーであり、EGがエネルギーギャップを越えるためのしきい値エネルギーである場合、光子が半導体の表面に当たったときに起こりうる結果は次のとおりです。

• E_ph < E_G −この場合、フォトンはしきい値に到達せず、通過するだけです。

• E_ph = E_G −光子には、電子を取り除き、正孔電子対を作成するための正確なしきい値があります。

• E_ph > E_G−光子エネルギーがしきい値を超えています。これは、電子がエネルギーギャップを下って戻るため、無駄ですが、電子正孔対を作成します。

日射の吸収

ほとんどの場合、半導体の吸収係数は、太陽からのエネルギーを吸収する効率を決定するために使用されます。係数が低いと、吸収が不十分です。したがって、光子がどこまで進むかは、吸収係数（α）と放射線の波長（λ）の両方の要因になります。

$$\alpha\:=\:\frac{4\pi k}{\lambda}$$

ここで、kは吸光係数です。

ソーラーパネルを構築するには、前述のように、ドープされたシリコンで作られたいくつかの太陽電池が必要です。これらのセルは直列に接続され、結果として生じる電流を合計します。これにより、モジュールと呼ばれるクラスター化されたセルのストリップが得られます。大きなパネルが必要な場合は、単一のモジュールをソーラーパネルに構築するか、他のモジュールと組み合わせることができます。

ソーラーパネルは、太陽電池を挟むいくつかの層で構成されています。これらの層は、壊れやすい細胞を保護するために使用されます。

レイヤーの図を以下に示します-

レイヤーは次の部分で構成されています-

• Cover Glass−これはトップカバーで、光が入るように透明です。細胞の機械的損傷を防ぎます。傷を防ぐために硬質ガラス製です。

• Non-reflective layer−シリコンはほとんどの太陽光を反射できます。したがって、この層はこれに対抗し、光子の最大吸収を確保するために使用されます。言い換えれば、それは吸収を最大化するのに役立ちます。

• Contact grid−この層では、セルの上部から下部に結合するすべての接点が相互に接続されています。接点は、充電コントローラー、コンバイナーボックス、バッテリーストレージまたはグリッドシステムなどのパネルの外部部品にまで及びます。

• P and N Silicon plates−この層は実際には2つの層の組み合わせです−Nドープシリコン層とPドープシリコン層。この層は太陽電池パネルにその色を与えます。

• Back plate−これは結晶性太陽光発電パネルを支持するための硬質層です。薄膜タイプのパネルには、柔軟な合成繊維が使用される場合があります。

パネルのフレームと耐候性を高めるために、アルミニウムフレームが使用されています。メリットは次のとおりです。

• フレームは、屋上などの表面にパネルを取り付ける手段を提供します。

• フレームは、嵐などの極端な気象条件からパネルを保護するのに十分なほどタイトです。

ソーラーパネルはまた、ほこりの粒子がその上に載らないように常に注意を払う必要があります。設置プロセス中、パネルは最大の光を受けるように角度を付けて固定する必要があります。直接使用しない場合は、無駄を省くために比例バッテリーを設置する必要があります。

効率とは、電力入力と電力出力の比率を指します。太陽光発電の場合、効率は、セルに入射する太陽エネルギーに対する電気の観点からの電力出力の比率です。

ここで、出力電力、p _m =電圧（v）*回路内の電流（I）（最大値）。

そして、入力電力P _i =入射エネルギーG（Wm ^-2）*セルの表面積A（m ²）。

したがって、効率は次のように計算されます。

$$\eta\:=\:\frac{P_{m}}{G\: \times\:A_{c}}$$

ここで、Pと_Mは回路の最大電力でなければなりません。これは、開回路の両端の電圧（V _oc）と短絡の両端の電流（I _sc）および曲線因子（FF）を使用して得られます。

$$P_{max}\:=\:V_{OC}I_{SC}FF$$

これらの測定値は、標準状態、つまり25°C、気団1.5gm ^-3、入射エネルギーG 1000Wm ^-2で測定する必要があります。

太陽電池の出力に影響を与える要因は次のとおりです。

• 入射光の波長
• 電子と正孔の再結合
• 電気抵抗
• Temperature
• 曲線因子
• 材料の反射係数

したがって、電力を最大化するには、セルをより大きな充填、つまり表面積を利用するように構築する必要があります。太陽電池の配置も、2つの理由でその出力を決定します。まず、角度によってセルの反射レベルが決まり、次に、位置によって午前9時から午後3時までに取得される太陽光の量が決まります。効率を最大にするには、セルのシャドウイングを回避することが重要です。

太陽光発電技術は2つの技術を利用しています。結晶形とアモルファスシリコン。アモルファスはまだ新しい調査であり、最適なパフォーマンスを達成するのに時間がかかる場合があります。

結晶細胞

結晶シリコン技術は、2種類の太陽電池を提供します-

• Mono-crystalline cells−単結晶太陽電池は、アレイ内のすべてのウェーハを製造するためにスライスされた単結晶シリンダーから構成されています。ウェーハは円形ですが、結晶の実用性を目的として他の形状にカットされる場合もあります。均一な青色が特徴です。その他の機能は次のとおりです。

  • 現在利用可能なすべてのPV技術の中で、比較的高い効率。

  • 純粋に同じ結晶から開発されているため、最も高価なセル。

  • セルは剛性があり、適切に配置し、剛性のあるバッキングに取り付ける必要があります。

• Poly-crystalline cells−これらは、モルティ結晶セルとも呼ばれ、シリコンを正方形の型に鋳造することによって作られます。得られたキャストは、いくつかの正方形のウェーハにカットされます。正方形のブロックは、青いバリエーションの配列で構成されるいくつかの結晶で構成されています。これは、今日市場に出回っているいくつかのソーラーパネルのきらびやかな宝石のような表面の背後にある技術です。多結晶セルには、次のような明確な特徴があります。

  • 単結晶セルに比べて効率がやや劣ります。

  • 単結晶よりも安い。

  • 材料の無駄が少ない（精製シリコン）。

  • 同じ仕様のソーラーパネルを考えると、多結晶パネルは単結晶パネルよりもわずかに幅が広くなっています。

アモルファス細胞

Thin-Film PVs−太陽電池を製造するためのアモルファス形態のシリコンの使用は、結晶形態の課題を抑制するために専門家がまだ研究している新しい技術です。この技術の特徴は次のとおりです。

• それらは両方の結晶形よりもはるかに安価です。

• それらは柔軟性があります。したがって、この機能を最大限に活用するには、可動式の取り付けが必要です。ただし、安全上の理由から、表面の形状はパネルに対応している必要があります。

• セルの脱落による電力損失の影響を受けにくい。さらに、それらは薄暗い環境でより強力です。

• 耐久性が低い。特に最初の1か月間は、安定する前に発電量が徐々に低下します。

• 発電効率が最も低く、したがってより広いスペースをカバーします

• 新技術により、パネルを窓ガラスや曲面に取り付けることが可能になります。

太陽光発電回路の特性

太陽電池の等価回路を以下に示します。

得られた電流、I _ph =セルの面積*光の強度、H *応答係数、ξ。

与えられた、導体による抵抗による損失= R _p

非理想的な導体による損失= R _s

セルが電圧Vで電流Iを生成する場合、単一セルのIとUの関係は次のように表されます。

電流、 $I\:=\:I_{ph}-I_{o}[\exp\lgroup\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s}\rgroup}{U_{t}}-1\rgroup]-\frac{\lgroup U_{cell}+I_{cell}R_{s} \rgroup}{R_{p}}$

熱電圧が $U_{t}\:=\:\frac{qkT}{e}$

温度はケルビンで、K = 1.38 ^-23（Bowman's const）、e = 1.602e- ¹⁹です。

最大のIとUを取得すると、最大の電力を取得できます。

I _maxは、V = 0、つまり短絡のときに得られ、V _maxは、I = 0、つまり開回路のときに得られます。

Note −並列のセルは電流を加算し、直列のセルは電圧を加算します。

地熱エネルギーとは、地層を通じて何百万年もの間地下に蓄えられた熱エネルギーを指します。それは、地殻の下に存在する未利用の熱エネルギーの豊富な貯蔵を利用します。

Geothermal energyサイト固有ですが、特に直接加熱に使用する場合は非常に安価になる可能性があります。この電源は非常に高温で地下で発生するため、この電源からの電力を推定することは困難です。

地球の地殻には、何百万年にもわたって蓄積された莫大な熱（熱）エネルギーがあります。地殻と地表の間には大きな温度差があります。温度差はとして知られていますgeothermal gradient。このエネルギーは岩を溶かすのに十分です。マグマと呼ばれる溶岩は、火山として地表の割れ目から噴火することがあります。地熱エネルギーは発電に変換されて電気になります。

高温の地熱流体の形での地熱堆積物の存在は、良い場所の兆候です。水の注入を可能にするために、サイトには浅い帯水層が必要です。固有の地熱生成物は約300°Fである必要があります。

地熱エネルギーの利点

主な利点は次のとおりです。

• 豊富な地下貯留層から熱が発生するため、燃料は燃焼しません。再生可能エネルギー源は、化石燃料が不足するリスクを解決する可能性があります。

• 排出物がなく、10％の二酸化炭素を生成します。これは、植物が消費する量と比較してごくわずかです。

• 他の再生可能エネルギー源（太陽光、風力、水）とは異なり、年間を通じて利用できるかどうかに影響されることはありません。

• 地熱エネルギーは、特に温室の熱源として直接使用する場合は特に安価です。

地熱エネルギーの唯一の欠点は、特徴的な腐った卵の臭いによって識別される硫化水素の放出です。

強化された地熱源（EGS）

一部の地熱源では、地熱堆積物を含む井戸に水が注入されます。これらの堆積物の内部では、水が過熱されて蒸気に変わります。水は非常に高い圧力で汲み上げられ、岩の割れ目を消費します。

一部の低温地熱エネルギーは、熱として直接利用されます。温室には、温度調節器としてこのエネルギーが供給される場合があります。この技術は、漁業や鉱物回収にも使用されています。

原理は、水を蒸気に加熱することによって熱エネルギーを使用することです。地熱エネルギーは、地殻の下の高温を利用します。高温の蒸気または水が流体を加熱し、流体が膨張してタービンを回転させて電気を生成します。

利用される3つの形式があります。それらは次のとおりです-

乾式蒸気発電所

基本的に、乾式蒸気ステーションは、地中堆積物から流出する蒸気を利用して、タービンを回転させて発電する二次流体を加熱します。蒸気は最大150度の温度で発生し、地熱発電所の流体を膨張させるのに十分な高温になります。これは、地熱発電の最も古い技術の1つです。二次流体の膨張により、タービンを回転させて発電するために必要な機械的エネルギーが生成されます。

フラッシュ蒸気発電所

高圧下の井戸の水は、低圧の領域に引き込まれます。この圧力シフトにより、高温で水蒸気を放出する水が気化します。この蒸気は水から分離され、発電機のタービンを回転させる流体を加熱するために使用されます。この圧力では、ガスは非常に高温になります。

バイナリサイクル発電所

密度によって決定される沸点の違いを利用することは、使用された最新の方法です。システムでは、水よりも沸点がはるかに低い流体が使用されます。この方法では、58度の温度の水を使用して、低沸点の二次流体を加熱します。水は、沸点が低いために流体を加熱して気化し、タービンを回転させて発電します。

地球物理学は、地球とその環境の特性を扱う科学の分野です。それは、磁場と重力場、地球の内部特性、水循環、鉱物堆積物の形成、そして太陽の地球の関係の研究です。

地球物理学は、地殻の下にある資源を見つけ、地震などの潜在的な脅威を特定することを専門としています。また、鉱業、石油掘削、地熱鉱床に最適な場所を特定するための定性分析も必要です。

地球物理学の枝

地球物理学のさまざまな分野は次のとおりです。

• Study of solid earth−固体地球の特性は、地殻変動研究から地震の地震解析にまで及びます。この部門は、石油と鉱物の鉱床を研究しています。土壌サンプルは、異常な堆積物やテクスチャがないか分析されます。

• Study of water−これは淡水と地表下の水に関する研究です。水の研究は、水循環と水位表を分析する水文学者によって行われます。海洋学、つまり海とその下の地面の研究もこのカテゴリに分類されます。

• Study of air−空気は地球の主要な構成要素です。空気の研究は、気象条件を予測し、ハリケーンなどの極端な条件から保護するのに役立ちます。

• Life and geophysics−生物と地球の相互作用は重要な要素です。石油の堆積物は主に腐敗物質に起因することに注意することが重要です。地下の状態は、生物の存在に対するそれらの影響を評価するために研究されます。

帯水層

帯水層と呼ばれるいくつかの岩は、水が自然に流れるための良い環境を提供します。これらの岩は多孔質で、流れる水をろ過します。帯水層は、一定の水流を提供するために井戸が掘削されるのに最適な場所です。良好な帯水層を作る岩石は、砂、花崗岩、礫岩、砂岩、および砕石です。

帯水層は地下水面の下にあり、降水量によって井戸から汲み上げられた水がすぐに補充されます。帯水層は、地球の水循環を維持する上で非常に重要です。井戸は、非多孔質の岩に囲まれた帯水層に掘削されます。これらの岩は、水を汲み上げるのに役立つ圧力を生成します。これらの種類の井戸は、自噴井戸として知られています。

水文地質学テスト

水文地質学では、帯水層でいくつかのテストを利用して、その特性を把握しています。これらのテストは、コントロールウェルと呼ばれる制御された環境で実施されます。

3つの主要なテストは次のとおりです。

• Pumping test−水は抽出され、一定の間隔で井戸にポンプで戻されます。変更の結果として、隣接する井戸の挙動が記録されます。このテストは、井戸を取り巻く帯水層の浸透率を決定するのに役立ちます。

• Slug test−ナメクジは、水位の急速な変化を意味します。このテストでは、隣接する井戸への影響と、元のレベルに戻るまでにかかる時間を測定します。これは、湖から汲み上げるか、水を井戸に汲み上げて水位を大幅に変えることで達成できます。

• Constant-head test−これは、コントロールウェルと呼ばれる実験ウェルを使用して行われます。コントロールウェルでは、熱ドローダウンを一定のレベルに維持できます。効果は隣接する井戸について記録されます。定期的に井戸から汲み上げると、地下水面がへこむことがあります。これはうつ病を引き起こし、異常な流れを引き起こす可能性があります。

水力発電（HEP）は、今日世界中で電力を生産するために使用されている主要な再生可能エネルギー源です。それは物理学の基本法則を利用しています。高圧下で落下する水は高い運動エネルギーを持っています。HEPステーションでは、落下する水がタービンを回転させます。発電機は磁気誘導により、タービンの機械的エネルギーを電気に変換します。

水力発電所

高所から落下するダム水を利用して発電機のタービンを回す技術です。機械的エネルギーは電気的形態に変換され、国の送電網システムに供給されます。次の図は、水力発電所の概要を示しています。

水力発電所の場所は、最大の効率を得るための有効水頭を決定するために専門家によって分析されなければなりません。油圧システムは、ゆっくりと移動する水流の概念を利用するためにも使用されます。

水力発電の利点の1つは、発電後に水を他の用途に利用できることです。高い水流と水頭のある川は、より良い水力源です。

流量とは、水が川の特定の地点を1秒間に通過する速度を意味します。頭は、斜面の頂上から発電所までの垂直距離を指します。

水の位置エネルギーを上げるために、大きな水滴のあるダムが建設されています。インテークは、圧力が最も高い下部に配置されます。次に、水は重力によって水圧管を通って流れます。このレベルでは、運動エネルギーはタービンを回転させるのに十分です。

電力見積もり

ダムの電力は、水の流れと水頭の2つの要因によって推定できます。

• Flowは、特定の時間に川の特定のセクションを通過する量を意味します。フローはMで与えられる³ / sです。

• Head 水が落ちる垂直距離です。

理論的には、電力は上記の要因に正比例します。

P = Q*H*c

どこ、

• P −期待される電力

• Q− m ³ / s単位の流量

• H −mで頭

• c −定数（密度*重力）

したがって、水の密度を1000gm ^-3、重力を1.9-とします。

P = 1000*1.9*Q*H

電磁誘導を引き起こすために発電機のタービンを回すにはエネルギーが必要です。

揚水発電は、水がタービンを通過した後に水をリサイクルするために使用される技術です。特に、揚水発電はダム全体の効率を向上させます。

水力発電所には3つの主要なコンポーネントがあります。彼らは-

• 1つ目は、水頭を作るダムです。水はダムの底から高速で落下し、タービンを回転させるための運動エネルギーを提供します。

• 2番目のコンポーネントはリザーバーです。貯水池はダムの後ろの貯水場所です。貯水池の水は、ダム構造の他の部分よりも高い位置にあります。貯水池の水の高さは、水が持つ位置エネルギーの量を決定します。水の高さが高いほど、その位置エネルギーは大きくなります。

• 3番目のコンポーネントは、電力が生成されてグリッドに接続される発電所です。

小規模インストールのリソース評価

ミニ水力発電所を設置する前に、利用できる近くの資源を特定することが重要です。かなり一定の流量（m ³ / s）の優れたストリームは、活用する価値のあるリソースです。

流れの良い川は、水の速度を利用して水車を回すことができます。山や丘の斜面は水力発電に最適です。前述のように、おおよその出力を決定するには、川の水頭と流れの両方を考慮する必要があります。

パラメータを知っていると、おおよその電力は次のように決定されます-

Head in feet * flow in gallons per meter / 10 = power in Watts

頭はまた、均一な川のための圧力の単位を持つことができます。

ホースチューブ方式

この手法は、水中タービンの低流量での水頭を決定する際に使用されます。

ホースチューブ方式の要件には、柔軟な配管（推奨されるガーデンホース）、漏斗、および測定材料が含まれます。流れは、人が通り抜けるのに十分浅くなければなりません（始める前に川の深さを確認してください）。ホースチューブ方式の設置手順は以下のとおりです。

まず、流れが傾斜し始めるポイントからホースを伸ばします。次に、水が流れなくなるまでホースの端を持ち上げます。垂直距離を取り、優先サイトに到達するまで他のセクションについても同じことを繰り返します。次の図は、各セクションのさまざまなヘッドを示しています。

Determining head

フローの決定

家庭用水力発電の通常の流れの流れは、次の2つの方法で決定できます。

• Float method−この手法では、測定された重量のフロートがストリームの均等な部分で放出され、測定された距離をカバーするのにかかった時間が記録されます。メートル単位の距離を秒単位の時間で割って、速度を取得します。フロートが地面に触れてはならないことに注意してください。川床に触れるほど重すぎる場合は、小さいフロートを選択できます。

• Bucket method−これは、ストリームをせき止めてバケツに迂回させることによって実現されます。次に、それが満たされるのにかかる速度が記録されます。これは毎秒ガロンで行われます。より正確にするには、標準メジャーのバケットを使用します。

タービンには、インパルスタービンとリアクションタービンの2つの大きな分類があります。タービンの選択は、ヘッドと流量に依存します。考慮すべき他の要因は、深さ、コスト、および必要な効率です。

インパルスタービン

インパルスタービンでは、水の速度がタービンホイールのバケットに当たり、機械的エネルギーを生成します。ホイールを回した後、水がタービンの底から流れ出します。

インパルスタービンでは、水の速度がタービンホイールのバケットに当たり、機械的エネルギーを生成します。ホイールを回した後、水がタービンの底から流れ出します。

インパルスタービンの種類

インパルスタービンには2つのタイプがあります-

• Pelton wheel−このタイプのホイールには、曝気された空間に水を向けるジェットがあります。ランナーのバケツに水が落ち、回転モーメントが発生します。このホイールはドラフトチューブを必要としません。ターゴホイールと呼ばれるバリエーションが開発されました。これは、エッジで囲まれたファンブレードのように見えます。水は単にファンを通り抜け、回転を引き起こします。ハイヘッドとローフロー用に設計されています。

• Cross-flow−ホイールは、細長いノズルと長方形の形状のドラムのようなセクションを持っています。オープニングガイドベーンは、水をランナーに向けます。水は、ブレードに出入りするときに2回ブレードを流れます。

反応タービン

反応タービンでは、ランナーがストリームの中心に配置されているため、圧力と移動する水の衝撃の両方から動力が発生します。これらは主に、より高い流量とより低いヘッドに適しています。水は一度に個々のブレードではなく、すべてのブレードに当たります。

反応タービンには3つのタイプがあります-

• Propeller turbines3〜6枚のブレードを備えたランナーがあります。水はランナーのバランスをとるために一定の圧力で常にすべてのブレードに当たります。プロペラタービンには、バルブ、カプラン、チューブ、ストラフロなどのバリエーションがあります。

• Francis turbine9つ以上の固定バケットを持つランナーを使用します。水はタービンの真上を流れることができ、一定の回転運動を生み出します。

• Free-fallタービンは、ほとんどのタービンで使用される位置エネルギーではなく、水中の運動エネルギーを利用します。これが、これらが一般的に知られている理由ですkineticタービン。彼らは小川や川の自然環境の下で動作します。彼らはまた、海の潮汐で動作する可能性があります。

一定の水流がある場合、水力発電は国内消費に利用できます。ほとんどの場合、流れと落下は、従来のタービンを回転させるのに十分な電力を提供しません。この問題を解決するために、マイクロ水力発電システムと呼ばれる小さなシステムが今日の市場で入手可能です。このシステムは、川や小川に設置された小さな発電機で構成されており、インパルスタービンで稼働します。実際、ほとんどはペルトン水車を使用しています。

水力発電所のコンポーネント

以下は、マイクロ水力発電所の主要コンポーネントです。

• Intake−発電機の位置は吸気口の近くでなければなりません。これは、水をせき止めて必要な水頭を確立し、圧力を高めることによって達成できます。

• Penstock−それは摂取量からの重力降下の領域です。マイクロ水力発電プロジェクトでは、取水口からタービンのランナーまでパイプが使用されます。

• Turbines−使用するタービンのタイプは、ストリームのサイズと目的の出力によって異なります。ほとんどの小水力では、ペルトン水車が効率的です。低落差の場合、水中反応タービンを使用することができ、その場合、水圧がブレードを回転させます。

• Controls−コントロールはバッテリーの過充電を防ぎます。彼らは、過剰な電力をダンプ負荷に分岐させることによってこれを調整します。

• Dump load−これは、バッテリーが完全に充電されたときに使用される代替の高抵抗の宛先です。それらは給湯器または空調システムさえ含むかもしれません。

• Battery−マイクロ水力発電システムは、従来のACシステムのように大きな電力を生成しません。多くの電力需要に利用するためには、エネルギーの蓄積が必要です。バッテリーは、必要な量の電力を蓄える手段を提供します。また、システム供給の停止時にエネルギーを提供します。

• Metering−これは、電源装置に対する電力使用量を監視するために重要です。これは、重要なシステム特性の理解と障害の特定に役立つ場合があります。

• Disconnect−電気配線システムでは、過剰な電源供給を防ぐ必要があります。回路ブレーカーガジェットをメインに設置して、水力供給に接続されているガジェットの損傷を防ぐ必要があります。

水槌ポンプは、物理学の基本法則の下で機能し、重力に逆らって水を水源よりも高い高さまで持ち上げます。このポンプは、燃料の燃焼などの外部エネルギー供給なしで動作します。唯一のエネルギーは、汲み上げられる水の運動エネルギーです。ヘッドが大きいほど、ポンプ距離が長くなります。

使い方？

ラムポンプがどのように機能するかを理解するには、ウォーターハンマーの原理を知っていることが重要です。

Fluid hammer−流体ハンマー効果は、流体（この場合は水）が強制的に停止されたとき、またはその方向が突然変化したときに発生します。圧力ショックが発生し、波は流体の発生源に戻されます。これは、タイヤやパイプが破裂したり崩壊したりする危険な現象である可能性があります。

• 水は、ヘッドからの運動エネルギーとともに入口（5）からポンプに流れ込み、バルブ（6）を閉じます。

• 6つが閉じ、3つが最初に閉じていると、水はウォーターハマーを発生させ、パイプ内に圧力を発生させ、バルブ（3）を開いて、出口（1）から水を送ります。

• 流れは上り坂なので、水はゆっくりと流れ、すぐに再びフォールバックして3を閉じます。

• ウォーターハンマーが蓄積してパイプを介して複製し、吸引力を生成して廃液バルブ6を開きます。

このプロセスが繰り返され、毎回圧力が高まります。

ラベル2は、空気を含む圧力コントローラーです。6を近づけ、水を3に押し込むたびに衝撃を和らげます。これは、破裂につながる可能性のある衝撃から配管を保護し、ポンプ効果を支援します。ラムは60から80パーセント効率的です。これは、汲み上げられる水の垂直方向の高さに依存するため、汲み上げられる水の比率を直接反映していません。言い換えれば、これはウォーターハマー効果からのエネルギーへのポンプ効果の効率です。

解決例1

85％の効率で定格されたタービンの推定出力を計算します。川の流れは毎秒80立方メートルで、小川の取水口は発電機のタービンの位置から147メートルのところにあります。

Solution −

電力は次の式で与えられますW =効率*ヘッド*フロー*密度*重力

水の比重をSI単位に換算すると、1000kgm ^{-3になります。}

式の値を代入する-

P = 0.85 * 1000 * 80 * 9.81 * 147

P = 97メガワット

解決した例2

特定の日に受け取った実際の電力が1,440,000kWhだったとすると、発電機の効率を計算します。重力を9.81ms ^-2と仮定します。水の比重1gcm ^-3。

Solution −

与えられた：1日の供給= 288000 kWh

電力= 1440000/24

= 60 mW

効率=電源/期待電力* 100

= 60/97 * 100

システムの効率は66.67％です。

古代には、風が船の帆を動かすために使用されていました。この章では、風力エネルギーを使用して発電する方法を説明します。

A turbine風力の運動エネルギーを有用な機械的エネルギーに変換します。このエネルギーは、機械的な形で使用するか、発電機のタービンを回して電気を供給することができます。水力発電システムと同様に、風力エネルギーは、風の運動エネルギーを機械的エネルギーに変換することで利用されます。

風力タービンは大きく2つのタイプに分類されます-水平軸風力タービンと垂直軸風力タービン。風力タービンが設置された広いエリア、つまり風力発電所は、今日ますます出現しています。

風の特徴

風には一般的な特徴がありますが、他の特徴はその場所に固有のものです。サイト固有の特性には、次のものがあります。

• Mean wind speed −分布は示していませんが、これは年間の風量を推定します。

• Wind speed distribution−年間、日中、季節の3つの側面があります。サイトを選択する際には、風速の変動と広がりを理解する必要があります。

• Turbulance−これは予測できないパターンでの風の混沌とし​​た動きです。乱気流は、エネルギー生産とブレードの疲労に影響を与える風の動きの特性が絶えず変化することから生じます。

• Long term fluctuation−不規則な風は、予測できないエネルギー供給を引き起こします。風力タービンを設置する前に、一定の風の流れがないかエリアを調査する必要があります。

• Distribution of wind direction −これは、特に水平軸タイプのブレードの位置決めでより重要です。

• Wind shear −せん断とは、風向、風速、または最大速度が発生する高さの変化です。

風速パターン

風のパターンは重要であり、多くの場合、 wind spectrum。風のスペクトルの値が高い場合は、特定の時間間隔での風速の大きな変化を表します。グラフで表される場合、ピークは時間とともに発生する乱流を表しています。

風速分布

3つの分布があります-

• Diurnal −日中と夜間の気温差が原因です。

• Depressions −沿岸地域に沿って4日間隔で発生します。

• Annual −分布は緯度に依存します。

風力エネルギーを理解するために、質量保存の法則とエネルギー保存の法則に同意します。以下に示すダクトは、タービンのブレードに出入りする風を表すと想定されています。

速度V _AはVの平均であると仮定されている₁及びV ₂。管の口の運動エネルギーは次の式で与えられます。

KE = 1/2 mV ²

変化したエネルギーのKE = 1/2 mV ₁ ^2-1 / 2 mV ₂ ²

1/2 m（V ₁ ² -V ₂ ²）

m = pAV _a、次にKEが変化するため、Pk = 1/2 pAV _a（V ₁ ² -V ₂ ²）

さらに単純化すると、推定される風力エネルギーは次のようになります。

KE、pk = 0.5925 * 1 / 2pAV ₁ ³

ブレード要素理論

ブレード要素理論は、風力タービンブレードの特定の部分での流れが隣接する部分に影響を与えないと想定しています。ブレード上のこの細分化は、環と呼ばれます。運動量はそれぞれについて計算されますannulus。次に、結果のすべての値を合計して、ブレード、つまりプロペラ全体を表します。

各環では、均等に分布した速度が誘導されたと想定されます。

動的マッチング

動的流入モデルは、ブレード要素と運動量理論による推定を改善するために組み込まれました。フロー理論の基本的なダイナミクスの概念は、ブレードの乱流の影響を推定するのに役立ちます。掃引領域には、推定平均速度の導出に役立つ動的状態が与えられます。

BEM理論は、定常風でのみ推定値を示しますが、乱気流が発生しなければならないことは明らかです。ただし、これは、より現実的な見積もりを提供するための基本的な動的流入モデルによって説明されます。

特に水平軸タイプで生成される風力エネルギーは、先端速度、使用されるブレードの総数、および翼のある側の揚力対抗力比の積であることが知られています。新しい定常平衡状態への再調整は、Dynamic Inflow Method (DIM)。

動的流入法

DIMは動的伴流理論としても知られており、通常は定常ではない誘導流に基づいています。動的な流れへの影響を考慮して、ローターに垂直な流入を計算します。

これは、後流効果、またはブレードの回転によって引き起こされるローターと垂直に整列した空気の速度を単に考慮に入れています。ただし、接線速度は一定であると想定しています。これは、Wake effect そしてその抗力は風力タービンの効率を低下させます。

発電

風の運動エネルギーは、風力タービンによって電気に変換されます。それらは、風向を検出するために、センサーなどの固有の技術を備えていますが、風車で使用されている古代の概念を使用しています。一部の風力タービンには、強風の場合に停止してローターとブレードを損傷から保護するブレーキシステムがあります。

発電機に適した速度にブレードを加速するためにローターシャフトに接続されたギアがあります。発電機の内部では、電磁誘導（機械的エネルギーから電気への変換の基本的な方法）が発生します。シャフトは、電線コイルに対して円筒形の磁石を回転させます。

風力発電所のタービンからのすべての電気はグリッドシステムに同化され、高電圧に変換されます。これは実際には、グリッドシステムで送電する従来の手法です。

大きな表面先端のブレードが必要ですが、これは幅の広いブレードから生じるノイズによって決定する必要があります。風力発電所には最大100台の発電機があり、騒音が大きくなる可能性があります。

風力タービンには大きく2つの分類があります-

• 水平軸風力タービン（HAWT）
• 垂直軸風力タービン（VAWT）

これら2種類の風力タービンについて少し詳しく説明しましょう。

水平軸風力タービン

これらは風車のようなタービンで、シャフトの上部が風向を向いています。それらは風に向けられなければならないので、より小さなタービンは構造に取り付けられた風向計によって方向付けられます。大型のタービンには、タービンを回転させるためのサーボ付きの風センサーがあります。

また、低速回転を加速して発電機タービンに十分な強度を持たせるためのギアボックスも装備されています。ブレードは、風の回転モーメントによる破損や曲がりを防ぐのに十分な剛性があります。

このタイプはタワーに取り付けられています。したがって、彼らは高速の風を経験します。スイープエリアを減らすために、わずかに曲げられています。スイープエリアを低くすると抵抗が減少し、疲労や故障の原因となる可能性があります。

垂直軸風力タービン

メインルートは垂直シャフトに取り付けられています。これにより、水平風力タービンに関連する問題が解消されます。サブタイプには次のものが含まれます-

ダリウス風力タービン

これはエッグビータータービンとしても知られており、巨大なエッグビーターに似ています。効率的ですが、ダウンタイムが長くなるため、信頼性が低下する可能性があります。堅牢性（ローター領域よりもブレード領域）を向上させるには、3つ以上のブレードを使用する必要があります。

サボニウス風力タービン

これらのタイプは、ダリウスタービンよりも信頼性が高くなっています。問題は、それらを塔の上に取り付けることができないことです。したがって、それらは乱気流や不規則な風のパターンにさらされます。それらは抗力タイプのタービンであるため、HAWTと比較して効率が低くなります。利点は、極端な乱気流に耐えることができることです。

ほとんどのVAWTは自己起動できず、衝撃を与えるために外部エネルギーを必要とします。最適なパフォーマンスを得るには、VAWTを屋上に取り付ける必要があります。屋根は風をブレードに導きます。

Biomass生物と最近死んだ生物を意味します。すでに化石燃料に変換されている生物は含まれていません。エネルギー生成では、燃焼によってエネルギーを生成するために利用される廃棄物プラントを指します。

バイオ燃料への変換方法は数多くあり、主に次のように分類されます。 chemical, thermal そして biochemical。これは最も古く、最も広く普及している再生可能エネルギー源です。さまざまな変換方法があります。

Direct combustion伝統的に木質燃料を使用して実践されていました。などの高度なプロセスpyrolysis（木炭を作るプロセス）、発酵および嫌気性消化は、これらの供給源を、油やエタノールなどのより高密度で輸送が容易な形態に変換します。石炭は熱分解プロセスの産物であり、酸素のない状態で燃焼させることで物質を強化します。

Bio-fuelバイオマス由来の燃料を指す用語です。前に述べたように、バイオマスは生きているものと死んでいるものの両方の有機物であり、植物から有機廃棄物にまで及びます。ほとんどの場合、石油や砂糖が豊富なバイオマスはエネルギー生産に理想的です。

用語 bio-energy生きているか死んでいるかのどちらかの生物から得られるエネルギーを指します。これには化石燃料は含まれません。バイオ燃料は、その供給源または世代ごとに分類できます。

ソースによるバイオ燃料の分類

• Wood fuel−樹木、茂み、または低木に由来します。木材燃料の例には、木炭や木材が含まれます。

• Agro-fuels−枯れた作物などの農産物バイオマスまたは穀物などの他の植物部分から得られます。農業用燃料は主に砂糖と油糧作物に由来します。

• Municipal by-products−主要な町から収集された廃棄物に由来します。都市ごみには2つのカテゴリーがあります。固形廃棄物バイオ燃料は、産業または商業機関からの固形廃棄物の直接燃焼から得られます。液体/気体廃棄物のバイオ燃料は、収集された廃棄物の発酵から得られます。

世代によるバイオ燃料の分類

• First generation−砂糖植物油と動物性脂肪をエンジンで燃焼させるために油に圧搾するか、同じ目的で発酵させてエタノールに加工します。最終製品は、石油、バイオディーゼル、アルコール、合成ガス、固体バイオ燃料、バイオガスです。

• Second generation−セルロースと廃棄物（非食品）に由来します。この廃棄物は、作物や木材の茎、バイオ水素、バイオアルコール、ジメチルホルムアミドDMF、ウッドディーゼル、混合アルコール、およびバイオジメチルエーテルDMEに由来します。

• Third generation−藻類に含まれ、低コストで高収量のエネルギーを生み出すと考えられています。藻類からのエネルギーはオイルゲーとして知られています。

有機材料は、バイオエネルギーとして知られる使用可能な形に変換されます。エネルギー生産の過程で使用される材料は、原料と呼ばれます。

バイオマスをよりよく理解するために、最初にさまざまな情報源を調査します。

バイオマス生産とは、有機物の量の増加を指します。これは、特定の地域または人口における有機物の追加です。バイオマスは、植物や動物の成長とともに補充されるため、再生可能エネルギーと見なされます。

生産には2つの形態があります-

• Primary production光合成による植物によるエネルギーの生成を指します。生成された過剰なエネルギーは貯蔵され、生態系の総バイオマスになります。一次生産は、特定の年の総森林被覆から推定することができます。

• Secondary production生物による体組織としての有機物の吸収です。これには、他の動物であろうと植物であろうと、動物による摂取、すなわち摂食が含まれます。また、微生物による有機物の分解も含まれます。二次生産は、年間に生産される肉の総量として見積もることができます。

バイオマスは、特定の環境で生きている生物と死んでいる生物の質量として測定できますが、生産量を推定するのは困難です。追加のバイオマスの一部が自然のプロセスによって置き換えられた可能性がありますが、それは量の増加としてのみ推定することができます。

熱の直接燃焼

熱のための直接燃焼は、初期の文明以来、バイオマスをエネルギーに変換する最も古い方法です。熱化学的変換（燃焼）は、さまざまな原料を使用してさまざまな方法で実現できます。

スタンドアロン燃焼

バイオマスベースの発電機は、植物油由来のディーゼルを使用してディーゼル発電機に燃料を供給します。発電機は有機ディーゼルを燃焼させてエネルギーを生成し、電気を生成します。

• 熱電併給プラントは、電気と有用な熱エネルギーをコジェネレーションすることが知られています。セラミック産業は、粘土タイルなどの製品の乾燥に熱を利用します。

• 一部の発電所は、バイオマスを使用して水を加熱し、発電用の蒸気を生成します。バイオマスは、水を沸騰させるのに十分な熱を生成するために燃焼されます。

• 地方自治体の固形廃棄物プラントは、固形廃棄物を燃やして発電します。固形廃棄物には主にプラスチックや合成繊維からの有毒ガスが含まれているため、このタイプは批判されがちです。

バイオマス共燃焼

独立燃焼とは別に、バイオマスを他の化石燃料と混合し、燃焼させてエネルギーを生成することができます。これは同時発射と呼ばれます。

• バイオマスは石炭として直接燃焼することができます。これは直接共燃焼と呼ばれます。

• その他の場合、バイオマスは最初にガスに処理され、次に合成ガスに変換されます。

• 3番目のケースは、化石燃料を別の炉で燃焼させ、生成されたエネルギーを使用して蒸気発電所の水を予熱する場合です。

燃焼の種類

さまざまな種類の燃焼は次のとおりです。

• Fixed bed combustion −これは、固体バイオマスを最初に細かく切断し、次に平らな固定面で燃焼させる方法です。

• Moving bed combustion−この方法では、火格子は常に均一に移動し、灰を残します。燃料は燃焼レベルで燃焼します。

• Fluid-bed combustion−燃料は砂と混合した高圧下で沸騰します。砂は熱を均等に分散させるのに役立ちます。

• Burner combustion −この方法では、木粉や微粉粉を液体燃料と同様のバーナーに入れます。

• Rotary furnace combustion−窯炉は、水分含有量の高い有機物を燃焼させるために使用されます。食品の残留物やその他の湿った農場の廃棄物などの廃棄物は、この方法で燃やされます。

熱分解

Pyrolysisは、完全燃焼を引き起こす可能性のある酸素なしで非常に高温で燃焼することによってバイオ燃料を処理する別の形態です。これは、不可逆的な物理的および化学的変化を引き起こします。酸化またはハロゲン化プロセスがないため、燃焼、共燃焼、またはガスへの変換に使用できる非常に高密度のバイオ燃料が得られます。

• Slow pyrolysis約400oCで発生します。固い木炭を作る工程です。

• Fast pyrolysis450oCから600oCの間に発生し、有機ガス、熱分解蒸気、および木炭を生成します。蒸気は凝縮によってバイオオイルとして液体の形に処理されます。これは、それ以上の反応を防ぐために1秒以内に行う必要があります。得られた液体は、木質バイオマスよりも密度が高く、エネルギーの点で等しい含有量の暗褐色の液体です。

バイオオイルには多くの利点があります。輸送、燃焼、保管が簡単です。多くの種類の原料は、熱分解によって処理され、バイオオイルを生成することができます。

下の図は、熱分解によってバイオ燃料から使用可能な形にエネルギーを変換するプロセスを説明しています。

アルコール発酵

アルコール発酵は、糖をセルロースに変換するプロセスです。このプロセスでは、副産物としてエタノールと二酸化炭素が発生します。このプロセスは、酸素がない状態で行われるため、嫌気性と見なされます。パン焼きやアルコール飲料の製造とは別に、このプロセスではアルコール燃料が生成されます。アルコール発酵の化学式は次の式で与えられます。

$C_{6}H_{12}O_{6}+yeast\longrightarrow\:2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}$

サトウキビは、特に乾燥した環境でのこのプロセスの主な原料です。トウモロコシや砂糖の小片は温帯地域で使用されます。

製品の応用

製品には以下の用途があります-

• Acetone は、食品添加物の製造、接着剤の溶解、塗料の薄化、グリース除去剤、および化粧品に使用される製品です。

• Hydrogen電力業界で冷却剤として使用されています。また、エネルギー生産のための水素セルでも使用されます。

• Butanolエタノールよりも優れた燃料を提供します。また、塗料、化粧品、樹脂、染料、ポリマー抽出物、合成繊維の製造の成分としても使用されます。

• Ethanol燃料、塗料成分、防腐剤の添加剤として使用されます。アルコール飲料にも使用されています。

バイオガスの嫌気性消化

Anaerobic digestionは、酸素の非存在下で有機物が分解されてバイオガスを生成する生物学的プロセスです。酸生成菌やアセトゲンなどの微生物は、生分解性物質をバイオガスに変換します。エネルギー源であるだけでなく、廃棄物の堆積方法や環境保全技術でもあります。

二酸化炭素とメタンを生成するこの変換の主な方程式は次のとおりです。

$C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow\:3CO_{2}+3CH_{4}$

ステップバイステップのプロセスを以下に説明します-

• Step 1−変換のための有機物のかなりの分子への分解。このプロセスは加水分解として知られています。

• Step 2−酸生成物質は分解された物質に作用し、アンモニア、CO2、硫化水素とともに揮発性脂肪酸（VFA）に変換します。このプロセスは酸生成と呼ばれます。

• Step 3 − VFAはさらに酢酸、二酸化炭素、水素に分解されます。

• Step 4 −最終段階は、上記の排出量を組み合わせて、メタノール、二酸化炭素、および水を生成することです。

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